点载荷试验在确定碎裂岩基承载力上的应用

汤淼文 ，彭柏兴，宣跃仁

(1.湖南省轻工纺织设计研究院，湖南 长沙 410002; 2.长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007)

1 前 言

《建筑地基基础设计规范》(GB50007 －2011)明确规定采用岩石饱和单轴抗压强度按岩体完整性折减来计算完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值［1］。在自然界，由于构造应力作用，岩体往往是不完整的，甚至呈破碎－极破碎状态，勘察过程中很难取到足够多的、合符规格的试样进行室内抗压试验，因此，采用其他方法进行弥补是十分必要的。一般地，可采用岩基载荷试验或旁压试验等原位试验手段来评价碎裂岩基的强度［2］。载荷试验操作难度较大，费工费时;高压旁压试验受仪器额定压力制约，对硬质岩石很难做到极限点，不利于承载力的客观评价。

岩石点荷载强度试验方法［3］是一种常用的破坏性试验。在国外，20 世纪30年代就有人开始探索，20 世纪70年代在理论上得到了较为严格的论证［4］，1985年国际岩石力学学会(the international society for rock mechanics，ISRM)公布了《测定点荷载强度的建议方法》［5］(suggested method for determining point load strength)，又称ISRM 法。1995年国家标准《工程岩体分级标准》(GB50218－94)在确定岩石坚硬程度时，允许使用实测的标准岩石点荷载强度指标换算岩石抗压强度［6］。点荷载试验方法对试验岩块的规格要求不高，能简易地测定岩石的某些特性，利用这些特性又能估计岩石的抗压强度，在工程中得到了广泛应用，并得到了许多专家学者的关注［7～12］。本文通过工程实例介绍了点荷载强度试验评价碎裂岩体中承载力特征值的方法与应用，收到了预期的效果。

2 点载荷试验的基本方法

2.1 试验设备

岩石点荷载试验可采用便携式点载荷试验仪或利用材料试验机来实现，国内外多采用前者来充分发挥该试验的优点。便携式点载荷试验仪由加荷、荷载测量和测距装置三部分组成。加荷部分包括承压框架、油泵和加荷活塞以及标准加荷器(如图1所示)。球端圆锥头压板的球曲率半径为5 mm，圆锥体的顶角为60°。

图1 标准加荷器

在试验过程中，上下压板保持在同一轴线上，偏差不超过±0.2 mm。荷载测量系统包括2 个油压表，最大量程分别为6 MPa和25 MPa。测距利用框架立柱上的标尺或位移传感器，保证试样加荷点间距的测量精度达到±0.2 mm［13］。整个荷载测量系统能抵抗液压冲击和振动，不受反复加载影响。

2.2 试验方法

试验试件可利用规则试件或不规则试件(如图2所示)。一般地，选择试件最小尺寸方向为加荷方向。将试样置于上下两个球端圆锥状压头之间，使上下锥端位于试件中心处并与试件紧密接触。量测加荷点间距及通过两加荷点最小截面的宽度(或平均宽度)，接触点距试件自由端的距离不应少于加荷间距的0.5。稳定地施加压力，使试件在10 s ～60 s内破坏，记录破坏荷载。据此求得岩石点荷载强度指数Is。

图2 不规则块体试验

(1)试验试样及其规格:岩石点荷载强度值随着试件的面积、点间距以及体积的增大，其变化在一定范围时，存在一个稳定区间。对不规则试件尺寸应在稳定区域范围内进行测试，方可避免产生数据的起伏和离散。其尺寸应满足以下要求:

①试样长(L)＞宽(w)＞高(H);

②试样高度控制在2．5 cm ～10 cm 内;

③破坏面积Af＜50 ±5 cm2。

(2)试验操作步骤如下:

①准备并检查仪器，保证上下加荷锥同轴;

②试件安装，将试件放入点荷载上下球端圆锥之间，使锥端与试件中心处紧密接触;

③均匀加荷，使试件在10 s ～60 s 内破坏，记录破坏荷载。

(3)数据处理:观察破坏面，对于破坏截面不通过两个加荷点的试验数据予以剔除。对符合要求的试验数据进行处理，每组有效数据去除最高和最低值各两个，进行成果计算。

2.3 点荷载强度的计算

根据点荷载强度指标量纲分析，列举点荷载强度(Is)公式载强度有如下6 种表达式［11］:间距强度(IsD)、面积强度(IsA)、体积强度(IsV)、面积间距强度(IsAD)、体积间距强度(IsVA)、体积面积强度(IsVA)。王祥厚等利用上述6 个公式对文献［7］中砂岩、石灰岩、页岩、烟煤4 种岩石的实测数据进行计算、统计、分析，发现对同一岩组的试验结果频数分布无明显偏态，算术平均值为明显的趋中值，且以面积强度公式计算的结果最为接近［11］。

《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266 －2013)推荐的计算公式如下［14］:

式中，IS为未经修正的岩石点荷载强度(MPa)，P为破坏荷载(N)，De为等价岩心直径(mm)。

所谓等价岩芯直径De，圆柱状试件的径向试验时即圆柱体的圆断面直径。轴向试验时或其他形状试对不规则体、方块体或轴向试验时件试验中为包含加荷轴的最小断面的等面积圆的直径，De由下式计算:

式中，W 为两加荷点最小截面的宽度或平均宽度(mm)，D 为加荷点间距(mm)，D'为上下端发生贯入后，试件破坏瞬间的加荷点间距(mm)。

当加荷点间距不等于50 mm时，应对(1)式的计算结果进行修正。当试验数据较多，且同一组试件中的等价岩芯直径具有多种尺寸，通过绘制D2e与破坏荷载P的关系曲线，在曲线上查找D2e=2 500 mm2对应的P50值，按(4)式计算;若试验数据较少则按式(5)计算。

2.4 点载荷强度与岩石单轴抗压强度的关系

由于岩石力学性质的复杂性，常规方法确定的岩石抗压强度R0相对标准差一般在20% ～40%，有时甚至高达50%以上。点荷载试验的相对标准差也在20% ～40%之间，绝大多数的岩石工程中，这样的精度是可行的，故可以建立标准点荷载强度指标IS(50)和岩石单轴抗压强度的经验公式［15］。

规范GB 50218 －94 在条文说明中提供了部分岩石点载荷强度与单轴饱和抗压强度相关性的研究成果(如表1所示)。

表1 点荷载强度与岩石单轴抗压强度关系表

3 工程应用

3.1 场地工程地质条件

长沙某大楼高30 层，2 层地下室，框剪结构。场地为湘江高漫滩，地面标高为34.15 m ～35.36 m。工程地质条件复杂，第四系地层由人工填土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粉土、圆砾、残积粉质粘土组成，厚达19 m。基底为泥盆系粉砂岩，因受构造影响，岩石破碎，为碎裂镶嵌结构，很难采取到能够加工成Φ50 ×100 mm的岩芯进行抗压试验。

3.2 岩基强度的确定

工程拟用大直径人工挖孔灌注桩，由于微风化层埋藏深度大，因而工作的重点在于合理地确定中风化粉砂岩的承载能力。根据规范GB50007 －2011 规定，岩石地基承载力设计值可按下式计算:

式中，f 为岩石地基承载力设计值(kPa);frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)，粘土质岩石取天然抗压强度;ψr为折减系数，根据岩体完整程度以及结构面间距、宽度、产状和组合，由地区经验确定。无经验时，对完整岩石可取0.5、对较完整岩石可取0.2～0.5、对较破碎岩体可取0.1 ～0.2。本工程取0.2。

(1)旁压试验

为评价岩体强度变形特征，采用预钻式旁压仪对工程岩体进行了验，受成孔因素影响，旁压试验均未做到极限压力(如图3所示)，因探头破裂仅做了4 个试验点，无法继续。根据声波测试结果可知，强、中风化层分别为破碎、较破碎岩体，岩体的均匀性较差，强度离散性大(如表2所示)。

图3 粉砂岩中的旁压试验曲线

表2 粉砂岩的主要物理力学性质指标

(2)点载荷试验

试验设备为成都地质学院研发的XD －2 型携带式点荷载仪，试样采自钻探施工所取的中风化岩芯碎块，为避免数据的分散性，要求试样加荷点附近不宜过于凸凹不平或倾斜，且试样尺寸应满足长(L)≥宽(b)≥高(h);破坏面积≤50 ± 5 cm2。试验时，如破坏面不通过一个加荷点即产生局部破坏，则该次试验无效。共进行了29组试验。经计算，Is(50)= 0．59 ～1.18 MPa，平均0.73 MPa。岩石单轴抗压强度平均值为18.26 MPa，按式(6)计算得岩基承载力设计值f=3 652 kPa。

3.3 载荷试验

根据勘察成果，本工程采用了大口径人工挖孔灌注桩，桩径分别为Φ2000、Φ1800、Φ1400，以中风化粉砂岩为桩端持力层，端阻力特征值取3 600 kPa。岩基载荷试验结果均满足设计要求(如表3所示)。从载荷试验曲线分析(如图4所示)，岩基沉降变形甚微，最大沉降量仅5.28 mm，可见尚有一定的潜力。本工程已竣工3年，沉降观测表明仅5.6 mm。可见，利用点荷载试验结果计算的岩石抗压强度按完整性折减尚有较高安全储备。

表3 岩基载荷试验成果表

图4 载荷试验曲线

4 结 语

(1)根据点载荷强度指数与抗压强度的关系，可换算得到岩石的单轴抗压强度。便携式点荷载仪简单方便，有利于现场试验、成本低，可对未加工成型的岩块进行测试来获取大量试验数据，解决了勘察过程中无法得到满足常规抗压试验规格要求的岩石试件的难题。

(2)当采用点载荷试验方法来评价碎裂岩基的承载力时，试样采取应为地基压缩层范围内的岩块，并结合声波测试以确定桩端下3 倍桩径或5 m范围内岩基的完整性和均匀性以选取合理的折减系数，做到点面结合，以期达到更好效果。

［1］GB50007 －2011．建筑地基基础设计规范［S］．

［2］彭柏兴．利用旁压试验确定软弱裂隙岩体的容许承载力［J］．勘察科学技术，1997(2):32 ～37．

［3］Goodman R E．Introduction to rock mechanics．Second edition［M］．John Wiley ＆ Sons，1978．

［4］Broch E and Franklin J A ．The point load strength test．Int．J．Rock Mech［M］．Min．Sci．＆ Geomech，Abstracts，1972(9)，669 ～697．

［5］Franklin J A．Suggested method for detemaining point load strength:ISRM commcn testing methods［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1985，22(2):51 ～60．

［6］GB50218 －94．工程岩体分级标准［S］．

［7］李先炜，付学敏．不规则岩块点荷载试验的研究［J］．岩土工程学报，1987，9(1):1 ～11．

［8］袁文忠，成海兵，屠树根．点载荷强度试验研究及其在岩石强度分级上的应用［J］．西南交通大学学报，1987(2):71 ～80．

［9］董平，曹健，姜永基．点载荷试验评价孔底岩基强度和承载力的方法［J］．岩土力学，2001，22(1):92 ～95．

［10］董可，高全臣，矫伟刚等．点载荷仪试验在软岩工程中的应用［J］．煤炭技术，2011，30(6):150 ～151．

［11］王祥厚，李明勇，佘洛斐等．点荷载测试岩石强度使用不规则试件的研究与探讨［J］．岩土力学，1995，16(4):46 ～56．

［12］尤明庆，陈向雷，苏承东．干燥及饱水岩石圆盘和圆环的巴西劈裂强度［J］．岩石力学与工程学报，2011，30(6):464 ～472．

［13］成都地质学院岩石点荷载试验研究小组编．岩石点荷载试验专辑［R］．成都，1986．

［14］GB/T50266 －2013．工程岩体试验方法标准［S］．

［15］王茹，唐春安，王述红．岩石点载荷试验若干问题的研究［J］．东北大学学报·自然科学版，2008，29(1):130～132．

［16］梁笃堂．贵州地区软质岩石地基(泥岩、泥质白云岩)承载特性研究［D］．贵阳:贵州大学，2007．